第34卷第2期 文章编号:1006—9348(2017)02—0221—04 计算机仿真 2017年02月 无线网移动通信数据传输性能优化设计 朱 可 (苏州科技大学网络与教育技术中心,江苏苏州215009) 摘要:针对无线网移动通信数据传输性能进行优化,可以有效提高无线网移动通信效率。由于无线网移动通信数据容易受 到通信距离的影响,使得通信数据特征存在动态波动性,传统的数据传输性能主要通过动态源路由(DSR)算法进行优化,优 化后分组开销大,出现时延,导致通信效率差,误差大的问题。提出一种分组头压缩的改进型DSR算法(PHC—DSR)。通 过散列操作和取模运算,将数据分组头中的完整路径信息压缩成一个较低位数的路径摘要,降低路由发现阶段的路由应答 (RREP)数据包长度和数据包传输阶段所发送的控制信息的大小。仿真结果表明,改进的动态源路由算法可以有效的提高 无线网移动通信数据传输的性能,增加通信数据传输效率。 关键词:无线网;通信数据;传输性能;动态源路由 中图分类号:TP393 文献标识码:B Wireless Mobile Communication Data Transmission Performance Optimization Design ZHU Ke (Network Information Center,Suzhou University of Science and Technology,Suzhou Jiangsu 215009,China) ABSTRACT:In this paper,we propose an algorithm of packet head contraction DSR(PHC—DSR).Full path data packet head was compressed to a lower—order digit path abstract via hash handle and modular arithmetic.Packet length of route response data in route discovery stage and control iformatnion size in data packet transfer stage were reduced.Simulation results show that the modified PHC—DSR can enhance wireless networks mobile communication data transmission performance and increase its eficifency. KEYWORDS:Wireless networks;Communication data;Transmission performance;Dynamic source routing 了一些改进型DSR算法,例如文献[6]提出一种具有地址列 1 引言 Ad hoe网络是一种自组织和自管理网络,具有易于组 网、节点随机移动、动态拓扑等特点…。由于无线网络拓扑 结构的不稳定性,网络路由协议成为其研究的重点。目前最 有代表性的Ad hoc网络的路由算法有DSR、AODV、DSDV、 OLSR等几种 J。而DSR是根据Ad Hoc网络的特点所创 表压缩功能的DSR算法(HB—DSR),在源路由中插入对应 的布隆过滤器取代数据包中的源路由信息。HB—DSR改善 了DSR的开销,然而数据分组头仍然很大。此外,冲突问题 也导致了更多的开销。文献[7]提出一种基于EST的路由 自动缩短DSR算法(EST—DSR),即用所谓的预期发送时间 (EST)用来评价链路质量,进行路由自动缩短。EST为在链 建,其整体性能较其它几种路由算法更优 j。 动态源路由(Dynamic Source Routing,DSR)算法是一种 路上发送一个数据包的预期数据传送量。当源路由外部节 点侦听到数据包,发现缓存中有更短的路径到达目的节点, 则节点须返回路由比较请求。该请求给出了返回原始节点 的完整路径。然后,源节点启动原始路由和候选路由的EST 值比较过程。该算法一定程度上提高了路由质量,但也存在 数据包较大,导致通信开销的问题。 为了克服传统算法的弊端,提出一种基于分组头压缩的 改进型DSR算法,并通过仿真对其性能进行验证。 典型的按需更新反应式路由协议。DSR中的中间节点只需 根据缓存中的路由表转发数据即可,能够有效减少路由开 销、分组冲突和大规模路由更新信息的传播 J。但DSR算 法也存在一些不足,其节点转发的每个数据分组头部都需要 携带完整的路由信息,数据传输开销较大 。相关学者提出 收稿日期:2016—04—13修回13期:2016—05—04 一221— 2.3数据包传输 2通信数据传输系统原理 PHC—DSR算法实现主要分为两个阶段:路由发现和数 据包传输阶段。路由发现阶段用于寻找源节点到目的节点 假设路径R=("l, 2,…,u ),其中"l=u 、u ="D分别 表示源节点和目的节点。在经典的DSR路由技术中,源节 点包含请求数据包的完整路径(由路径中的中间节点地址构 成的列表)。中间节点接收到数据包后,存储其前一跳节点 该节点的标识符,将数据包转发下一跳节点 …。重复该过 的最优路径,数据包传输阶段在所寻找到的路径上传输压缩 的数据包。 2.1网络模型 (发送数据包的节点),并检查中间节点列表,从列表中删除 程,直至数据包到达目标节点,即直到路径长度等于1。 但上述经典的路由算法不适用于大规模Ad Hoc网络。 为了克服传统方法的缺陷,本文作了如下改进: 本文研究对象为移动Ad—hoc网络,其中,移动节点集a 随机分布在二维平面上,遵循随机移动模式运动。每个节点 113 都有单一信道,可用相同的标识符来标识节点和其地址。 节点的移动性导致网络拓扑的频繁更新 。假设所有移动 假设源节点 计算路径摘要 =n(”:, ,…, ),并 节点都具有相同的传输功率范围P。设 的邻近节点集@ 由 的邻节点构成,定义如下:O;={”f:d( ≤p},其中 d( 表示 和 间的欧式距离。需要注意的是,通信链路 是双向的,即,如果 ,∈0。,那么t, ∈Oi。网络由图G=( , E)表示,其中 表示节点集,E表示链路集。如果两节点位 于彼此的传输距离内,则两者间存在一条链路边。源节点” 和目的节点 。问的路径可表示为R=(" ,… ,…, 。), 其中u ∈Vo 2.2路由发现 当源节点 想与目的节点进行通信时,首先检查缓存 中是否已经存储该路径。如果没有,则源节点在网络中播送 路由请求(RREQ)数据包,收集到达目的节点的可用路径信 息。中间节点在接收到RREQ数据包后,在数据包中嵌入自 己的地址,并将数据包转发给邻节点 。重复该过程,直至 数据包到达目的节点。然后,目的节点 。创建路由应答 (RREP)数据包,同时计算所拥有地址的路径摘要n( 。), 并将n( 。)和对应的子路径存储到缓存中。然后,以RREQ 数据包相反的传递路径发送RREP数据包。中间节点在接 收到RREP数据包后,重复计算路径摘要和传递过程,直到 RREP数据包到达源节点。分组头压缩的路径摘要函数定义 如下 Q(t,1,t,2,…,u )=[∑ ×c扭 ]mod (1) 其中,” 表示中间节点的标识符集,n表示路径长度。町为一 个素整数,用来允许路径摘要R=( , :,…, )为一个整数 值,作为路径的索引。生成的路径摘要(函数n的输出)需 严格小于 值, 为允许压缩和修复索引的大小。无论路径 R的长度为多少,索引大小满足log2(卵)。c和e是一个较大 的整数,用来离散化函数n可能取值的空间,以减少冲突概 率。当路径由相同中间节点以不同的顺序构成时,引入因子 i,使函数n生成不同的输出。n可以看作是特殊的散列函 数。现存的散列机制使用协议栈的较低层(网络层)进行通 信,计算成本高昂,降低了路由算法的性能。函数n的有效 性严重依赖于网络规模,当网络规模显著增大时,节点寻址 范围增大,可能会导致冲突。 . .——222....—— 将其嵌入到数据分组头,取代数据包中附加的完整路径,然 后发送给第一个中间节点” 。需要注意,无论路径大小如 何,路径摘要将严格小于 。DSR中的数据分组头大小为32 ×n位,本文PHC—DSR则将该值压缩至log:( )位。中间 节点” 接收到数据包后,在其缓存中查找子路径,其中,接收 到的路径摘要为子路径的索引。然后计算 =n(” , , …, ),并将此路径摘要值替代旧的路径摘要值,然后发送 至节点” 。该过程通过中间节点集执行,直至数据包到达 目的节点"D= 。 存在一种情况,即节点在其缓存中发现多个子路径对应 相同路径摘要值,这种情况的发生概率很小,但这会导致压 缩函数冲突。在这种情况下,本文定义一个对应目的节点具 有相同路径摘要值的所有子路径集合,从中选择一条最短子 路径,且不需要添加任何额外的控制信息,以此消除冲突,完 成PHC—DSR算法的改进。 3改进PHC—DSR算法的性能分析 本文在三个方面对提出改进路由算法进行性能分析,即 存储需求、通信开销和传输延迟。 3.1存储需求 本文算法中,移动节点” 须维护自身路由表,表中记录 了索引和对应的子路径。路由表中第一字段为log:('7)位, 在最糟糕的情况中,节点须维护由所有节点构成的路径;第 二字段为320位(仅考虑IPv4,节点地址占32位)。缓存中 记录条数取决于经过节点的可能路径数。在最糟糕的情形 中,该节点为中间节点,且与网络中的其它节点对都相连。 当网络规模大小为a个移动节点时,与每对节点相连接的平 均路径长度为(0/2)(a一1)。利用式(2)计算所需存储容量 大小 : (2) 例如,规模为500个节点的网络,在最糟糕的情况下,每 个节点最多需要2兆bit的存储空间。因此,本文PHC— DSR算法不受当前硬件条件约束。 3.2传输延迟 设定路径R=(t,l, 2,…," ),其中 】="s、u :t,D,所有 节点都具有相同的硬件特征和无线接口数D6。假设场景如 下:源节点 生成数据包P0,沿路径尺发送。数据包通过中 即移动点在区域内移动到随机选择的坐标点,并暂时停留, 一段时间后,节点选择新的目标点和暂停时间。 间节点” 传输,直到到达目的节点 。。中间节点” 接收来 自节点 的数据包P ,更新数据包P 的数据分组头, 在节点具有相同的硬件性能和处理能力的前提下,文中 将PHC—DSR算法与传统DSR和EST—DSR算法,在传输延 迟、通信开销和传输效率方面进行比较,并研究分析了网络 修改数据分组头参数生成数据包P ,并转发给节点”¨。。数 据包P 由两部分构成:1)数据,由 表示;2)数据分组头,由 规模对实验结果的影响。其中,传输效率为用户数据占总数 △ 表示。因此数据包的大小为:I P。l=l l+l l。数据 据包大小的比例。 包从节点 传输到节点 的传送时间为 = (3) 根据DSR算法,中间节点 从数据分组头中移除自己 地址,然后将数据包转发给其后继节点。因此,每跳之后,数 据分组头将减少32位(I△ l=l△ I一32)。数据传送到目 的节点”。的传送时间 。 为中间节点传送时间的累 加和[“ "TDSR: ㈩ 已知,I△0 l=32×(n一1),其中n是完整路径的节点 数,n一1是跳数。因此, l!± 鱼Db 二1 2 1 二 2 (5) 在本文PHC—DSR算法中,中间节点" 接收到数据包 后,用△ 替换数据分组头的△ 。数据传送到目的节点u。 的传送时间r 舵一 鼢为中间节点传送时间的累加和 n-I r"pHCDSR= -(6) 在任意长度的路径中,压缩函数输出结果严格小于 , 即满足I△ I=log2( ),所以 (n一1)(I I+log2(7/)) , PHC-DSR—Db 可以看出,传统DSR算法中,源节点会在数据分组头中 嵌入路径参数,路径长度严重影响着数据包大小,导致数据 包延迟的增加,而本文PHC—DSR算法则不受其影响。 3.3通信开销 通信开销为所需的控制信息总量。控制信息嵌入在数 据分组头,以便发送到目的节点。控制信息不属于用户信 息,可将其压缩以减轻网络负载 。传统DSR算法的中间 节点生成单个数据包的开销为:O=16(n一1)(n一2),本文 PHC—DSR的生成开销为:O=( 一1)log2(77)。 4仿真结果及分析 4.1实验参数的设定 使用MATLAB构建一个移动Ad—hoc网络仿真环境。 网络中具有500个移动节点,在1平方公里的正方形区域中 移动。设定每个节点的通信范围为200米,并配置传输速率 为54Mbps的无线设备,运动模式遵循随机路径点模型 , 4.2仿真结果分析 图1给出了不同网络规模中的数据包传输延迟比较。 可以看出,随着节点数量的增加,各种方案的传输延迟随之 减少。这是因为,网络密集程度的加大,使节点对间的可用 路径数也变多,所以能够找到更近的路径传输信息。其中, 本文PHC—DSR算法的传输延迟最低,因为本文压缩了数据 包大小,可让节点进行快速的通信传输。 图1不同网络规模下的数据包传输时间 图2给出了不同网络规模中的通信开销比较。DSR和 EST—DSR算法在数据包中嵌入了完整的路由路径序列,这 增加了网络的通信开销。而本文PHC—DSR算法的数据分 组头包含一个压缩到log (11)位的数据,减少了通信开销。 需要注意的是,尽管数据分组头尺寸很小,但包含了从源节 点到对话节点的完整信息。 .舔 坦 卿 图2不同网络规模下的通信开销 ....——223...—— 定义传输效率表达式如下 E= ,n、 参考文献: [1]朱清超,等.基于阚值判断的动态源路由协议算法优化设计 [J].电讯技术,2014,(5):644—649. 其中,由 表示数据,△表示数据分组头。本文PHC—DSR [2] 刘汝媚.基于c波段无线网的模拟飞行视频遥测传输技术研 究[J],现代电子技术,2016,9(39):117—120. 算法对数据分组头进行了压缩,计算如下 F 一 。魁 一I毋I+log2(町) ! ! ,0、 [3]孟娟娜.基于Android平台的移动电子商务系统设计与实现 [J].电子设计工程2016,8(24):27—29. 【4]P Chand,M K Soni.Performance Comparison of AODV and DSR On—demand Routing Protocols for Mobile Ad—Hoe NetworksfJ] International Journal of Computer Applications,2012,49(18):1 —图3给出了不同网络规模函数中的传输效率比较。每 当路径缩短时,三种路由算法的效率比例也随之增加。这是 因为在有大量可用路径时,节点能够找到较短路由路径。其 中,本文PHC—DSR算法取得了最优结果。 5. [5]李梅,周继鹏.基于负载均衡的DSR路由协议改进[J].计算 机应用研究,2011,28(1):256—258. [6] 林业明,张朝武.一种直连网络智能路由算法分析[J].信息 通信,2015,(10):73—74. [7]任兴田,王勇.基于蚁群算法的自适应ad hoe路由协议[J]. 北京工业大学学报,2012,38(5):744—748. 蔷 囊 进 [8]蒋文贤,赖超.一种压缩感知的异构传感网络分簇路由算法 [J].小型微型计算机系统,2015,(2):252—256. [9] 张珊珊.面向紧急情况下DTN网络的移动模型和路由算法的 研究[D].陕西师范大学,2015. [10] 彭玉艳,杜文才,任佳.基于贝叶斯网络的Ad Hoe网络拥塞 控制[J].计算机仿真,2014,31(5):312—315. 图3不同网络规模下的传输效率 5结论 针对传统的无线网移动通信数据传输性能一直存在传 输效率差,通信性能低的问题。提出一种改进的PHC—DSR 算法,在不丢失完整路径信息的情况下压缩了数据包大小, 降低了传输时间和通信开销。仿真结果表明,改进算法比传 统的DSR方案具有更好的效果,通信数据传输性能更好。 卫 [研朱究领可域(1:9计73算一机)网,男络作(、汉者智族简能)介卡,上等] 海。人,工程师,主要 [8]N P Schibli,N Tung,A C Rufer.A three—phase multilevel con— verter for hish—power induction motors[J],IEEE Trans.on PE, 1998,13(5):78—98. (上接第165页) [2] 李琛.基于单极性倍频SPWM调制的逆变电源系统研究[J]. 宁夏工程技术,2009—9,8(3). [3]岳改丽,李阿龙,刘树林.一种数字型逆变电源多环控制系统 [J].电力电子技术,2015—3,49(3). [4] 陈灼.三相SPWM逆变器恒压恒频控制策略[J].电气技术, 2010,(12). [9]c L Poh,et a1.A comparative analysis ofmulti-loop voltage regu l ̄ion strategies orf single and three--phase UPS systems[J].Pow・ er E1ectmnies,IEEE Transactions OB,2003,18(5):1176—1185. [10]俞红祥,纪延超,林敏.交流斩波器的新型谐波抑制脉宽调制 技术[J].中国电机工程学报,2005,25(5):68—73. [5]李琛,李敏远,计时鸣,谭大鹏.400Hz逆变电源新型多环控制 系统[J].中国电机工程学报,2010—12,30(36). [6]刘卫国.MATLAB程序设计与应用(第2版).北京:高等教育 出版社,2002. [7]M A Naser,E Q John.Analysis and design of a multiple feedback loop control strategy for single—phase voltage—source UPS invert— ers[J].IEEE Transactions on Power Electronics,1996,l1(4): 532—541. _ [兰硕电王士士源利研技亚炜究术(生。1 96,03主一要)研,女男作究(者领汉域族简为)介,河现辽] 代北宁电省石力长家电春庄子市技市人人术,博, ,副教授,硕士研究生导师,主要研究领域为电力 电子系统。电气传动。 .---——224----——